Р. Розенцвейг - Феррогидродинамика (1163188), страница 49

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 49)

Движение магнитных двухфазных систем 9.!. ВВЕДЕНИЕ Гидродннамика двухфазных сред является частным случаем гидродинамики многофазных сред — очень обширного предмета, возникшего из исследований псевдоожиженных слоев, седиментации частиц и капель, кипения жидкостей, движения пен и многих других систем. Феррогидродинамика таких систем еше только начала развиваться.

Здесь мы ограничимся рассмотрением двухфазной смеси из твердых частиц и сплошной среды — газа или жидкости — и подробно исследуем одно приложение, а именно магнитные псевдоожиженные слои из твердых частиц. Результаты исследований других систем можно найти в литературе, приведенной в конце главы. Псевдоожижением называется переход системы из твердых частиц в жидкоподобное состояние при протекании сквозь нее газа или жидкости.

Размер твердых частиц псевдоожиженных систем намного больше размера частиц коллоидной магнитной жидкости и обычно меняется в пределах от 50 до 1000 мкм. Такой способ обеспечения контакта текущей среды с поверхностью частиц имеет ряд необычных свойств, которые позволили весьма успешно использовать его на практике. Недавние исследования на основе методов ФГД показали, что магнитная стабилизация псевдоожиженного слоя расширяет рабочий диапазон параметров слоя, при котором отсутствует турбулентность.

Магнитная стабилизация благоприятна для контакторов как с движушимся, так и со стационарным слоем. При феноменологическом исследовании псевдоожиженной системы динамика обеих фаз, твердой и жидкой, должна рассматриваться единым образом. Подобная ситуация уже была в гл. 8, где рассматривались течения магнитных жидкостей с микроструктурой, возникающей из-за вращения частиц относительно несущей жидкости; это приводило к появлению антисимметричных напряжений. Здесь же главным обстоятельством, которое нужно учесть при математическом описании, является движение жидкой или газовой фазы относительно фазы частиц.

Однако в отличие от случая коллоидных магнитных частиц в псевдоожиженных слоях тепловое броуновское движение частиц пренебрежимо мало, и его можно считать полностью отсутствуюшим. 9.2. Обычное нсеадоожижелие В этой главе после краткого обзора обычных псевдоожиженных слоев развивается подход к математическому описанию магнитных двухфазных течений и на его основе исследуется ФГД устойчивость псевдоожиженных слоев. 9.2. ОБЫЧНОЕ ПСЕВДООЖИЖЕНИЕ На рис. 9.1 изображен слой немагнитных твердых частиц, находящихся в вертикальной трубе, удерживаемый горизонтальной сеткой. Если скорость среды, поднимающейся вверх сквозь слой, мала, то она просто просачивается сквозь пустоты между и слой часпнЩ лгка Газ Рис.

9Л. Псевдоожиженная система, содержащая слой мелких частиц, осуществляющих требуемый контакт газа и твердого материала. Подача газа такова, что частицы не выходят из системы; из — средняя скорость. частицами, которые остаются неподвижными; такой слой называется неподвижным слоем.

Если увеличивать скорость протекания среды, то, когда перепад давления сквозь слой Лр становится достаточно большим, чтобы выдержать вес частиц, слой, как говорят, псевдоожижается. В обычном цсендоожнженном слое частицы находятся в непрестанном хаотическом движении, а вся система проявляет многие свойства, характерные для жидкостей: тела плавают на поверхности слоя, а равномерное добавление илн изъятие частиц слоя в работающей установке сильно облегчается.

Средняя скорость, т. е. скорость объемного расхода среды, деленная на площадь поперечного сечения трубы, при которой начинается псевдоожижение, обозначается через й . Наиболее удобно определять й по кривой зависимости перепада давления через слой частиц в зависимости от средней скорости среды.

Как у. двиясение магнитных двухфазньст систем видно из рис. 9.2, эта кривая содержит два почти линейных участка. Кривая в промежуточной области между ними может быть монотонной (кривая 1) или иметь максимум (кривая П). Скорость начала псевдоожижения определяется по точке пересечения продолжений линейных участков графика. Псевдоожиженные слои впервые начали широко применяться в производстве авиационного топлива каталитическим крекингом тяжелых углеводородов. Основная причина, из-за которой йр "о Рис. 9.2. Некоторые черты поведения системы псевдоожиженнык частиц иллюстрируются кривой перепада давления через слой Лр в зависимости от средней скорости ие. используется псевдоожижение, состоит в том, что в псевдоожиженном слое намного легче, чем в неподвижном, заменять отработанный, или дезактивированный, катализатор.

В псевдоожиженном. слое изъятие и пополнение катализатора может производиться непрерывным образом„тогда как в неподвижном слое после дезактивации катализатора процесс нужно остановить, катализатор вынуть из реактора, заменить его свежим, или регенированным, и лишь после этого можно продолжать процесс. В настоящее время псевдоожиженные слои широко применяются в многочисленных физических и химических технологиях. Физические приложения включают транспортировку, сушку и шлихтовку материалов, покрытие металлических поверхностей пластиком, операции подогрева и сушки; химические приложения варьируются от реакции каталитического окисления до обжига сульфидных руд; еще чаще псевдоожиженные слои встречаются в производствах синтетического газа и топлива. У.З.

Иекаторые основные проблемы лсевдаожижения 283 Прекрасное введение в обычное псевдоожижение можно найти в книге (Кцпй, Еечепзрге1, 1977). 9.3. НЕКОТОРЫЕ ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ С ПСЕВДООЖИЖЕНИЕМ Когда скорость расхода газа через псевдоожиженный слой превышает скорость начала псевдоожижения, то большая часть лишнего газа проходит сквозь слой в виде пузырьков (рис. 9.3(а)).

При всплывании пузырьки приводят в движение устаичивоя эмульсия Петушка Пузырек Позвратное движение частиц а аерететавак етет Поток) =Потакй Поток ) (Ь) (а) Рис, Э.З. Сравнение обычного псевяоожиженного слоя (а) с магнитно стабилизированным слоем (Ь). ))лина устойчивой эмульсии увеличивается при увеличении скорости потока. слой и вызывают возвратное движение твердых частиц слоя с перемешиванием. Такое перемешивание носит хаотический характер и приводит к изотермичности всей системы; это очень удобно для контроля, если реакция чувствительна к температуре.

С другой стороны, газ в виде пузырьков стремится миновать слой, что снижает эффективность его контакта с частицами и уменьшает выход продукции в гетерогенных каталитических реакторах. Кроме того, движение пузырьков вызывает толчки, что приводит к истираиию частиц и нежелательному уносу вместе с газом более мелких частиц. Вынос мелких частиц, вдобавок, нежелателен с точки зрения загрязнения окружающей среды; частицы из потока нужно извлекать дорогостоящими фильтрами, циклонами или при помощи техники электроосаждения. Экспериментально и теоретически установлено (Козепзтче)п, 1978Ь, 1979Ь,с), что стационарное однородное магнитное поле, 284 у.

двиясение магнитных двухфианых систем направленное параллельно потоку газа (рис. 9.3(Ь)), увеличивает диапазон скоростей газа, в котором в псевдоожиженном слое из магнитных частиц отсутствуют пузырьки, а движение частиц, хаотическое или любое другое, полностью отсутствует. Такие системы, которые будем называть магнитно стабилизированными псевдоожиженными слоями, дают решение проблем, связанных с наличием пузырьков. Магнитно стабилизированный слой имеет хорошие текучие свойства, за исключением случая с сильной намагниченностью, когда у него появляются некоторые свойства геля.

Чтобы понять причины возникновения пузырьков и способ подавления их образования, нужно вывести уравнения, описывающие фильтрацию в псевдоожиженной системе. 9.4. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ТЕЧЕНИЕ ДВУХФАЗНОЙ СРЕДЫ Динамика двухфазных систем, представляющих собой взвесь твердых частиц в жидкости или газе, в принципе может быть полностью описана уравнением Навье — Стокса, справедливым в каждой точке жидкости, и вторым законом Ньютона, примененным к каждой твердой частице, плюс соответствующие начальные и граничные условия. Такой прямой подход в случае, когда в жидкости и имеется только одна или две частицы, может быть плодотворен, но для интересующей нас системы из большого числа близко расположенных частиц он становится безнадежным.

Другой подход состоит в замене микроскопических величин„ таких, как плотность и скорость, сильно меняющихся на характерной длине порядка расстояния между частицами, сглаженными функциями, получаемыми осреднением по объему, размер которого много больше расстояния между частицами, но много меньше характерного размера псевдоожиженных систем. Получаемые таким образом уравнения описывают движение обеих фаз так, как если бы каждая фаза занимала весь объем системы, но при ее движении имело место трение относительно другой фазы. Такое представление лежит в основе теории взаимопроникающих континуумов. Метод осреднения составляет альтернативу методу непосредственного постулирования системы феноменологических уравнений, при котором с самого начала возникает много неопределенностей.

Характеристики

Список файлов книги